基于ZigBee的智能家居通用節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

董 哲，邵曉琳

（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

ZigBee技術(shù)，在消費(fèi)性電子設(shè)備、工業(yè)控制、汽車及智能交通、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療輔助控制等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。TI的CC2530芯片具備了實(shí)現(xiàn)Zig－Bee技術(shù)的各種底層硬件需求，是真正的一體化解決方案，完全符合ZigBee技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)“體積小”的要求。TI提供的ZStack協(xié)議棧，使ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，盡可能地減輕了軟件開(kāi)發(fā)的工作量。

從系統(tǒng)的角度來(lái)看，智能化的家居體驗(yàn)必然要求節(jié)點(diǎn)之間的互通互聯(lián)，一個(gè)典型的ZigBee智能家居系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)繁多，功能各異，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)開(kāi)發(fā)，則對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)帶來(lái)諸多不便，對(duì)此本文創(chuàng)新性地給出了智能家居系統(tǒng)中通用節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，該方案降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)難度，并具有一定的通用性和可擴(kuò)展性。

智能家居設(shè)備可分為三類，一類是傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)不同功能的傳感器檢測(cè)家居中的各種狀態(tài)，如溫濕度、光照度等，該類節(jié)點(diǎn)由傳感變送單元、主控單元、通信單元組成。第二類是執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)繼電器、紅外遙控等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制，該類節(jié)點(diǎn)由執(zhí)行單元、主控單元、通信單元組成。第三類是網(wǎng)關(guān)控制器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點(diǎn)控制等功能，該類節(jié)點(diǎn)由主控單元、通信單元組成。本文設(shè)計(jì)的通用型節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了主控單元、通信單元的基本功能，在通用單元的基礎(chǔ)上只需擴(kuò)展傳感器、執(zhí)行器等即可實(shí)現(xiàn)智能家居中各專用設(shè)備硬件。同時(shí)本文開(kāi)發(fā)了基于Z－stack的智能家居通用軟件，分為協(xié)調(diào)器和終端兩個(gè)版本，前者適用于網(wǎng)關(guān)控制器類設(shè)備，后者適用于傳感器、執(zhí)行器類設(shè)備，智能家居中所需的各種專用設(shè)備無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)的軟件開(kāi)發(fā)，只需定義設(shè)備類型即可實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 ZigBee智能家居系統(tǒng)方案

如圖1所示，智能家居系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端設(shè)備組成。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)串口連接上位機(jī)或家庭網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制；相同的ZigBee終端設(shè)備通過(guò)連接不同的傳感器和家居設(shè)備而構(gòu)成不同的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)。

圖1 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)功能描述

如圖2所示，深色陰影部分為系統(tǒng)輸入，淺色陰影部分為系統(tǒng)輸出，ZigBee協(xié)調(diào)器為系統(tǒng)的控制中心，將綜合傳感器采集的環(huán)境信息以及串口接收的控制信息用來(lái)控制每個(gè)家居設(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)將環(huán)境信息，以及家居設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送到串口以供控制終端顯示。本系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、直接控制、連鎖控制、場(chǎng)景控制四種相互耦合的控制功能，此外系統(tǒng)還具有動(dòng)作反饋的功能，不論設(shè)備以何種方式被控制，其動(dòng)作變化都會(huì)在控制終端得到體現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)功能模型

（1）自動(dòng)控制

協(xié)調(diào)器根據(jù)傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)某些家居設(shè)備進(jìn)行控制，如當(dāng)室外光照度較低時(shí)關(guān)閉窗簾。

（2）直接控制

用戶可根據(jù)自己的需要，直接在控制終端操作某一設(shè)備，如打開(kāi)客廳的電視。

（3）連鎖控制

當(dāng)用戶的某一項(xiàng)活動(dòng)需要控制多個(gè)設(shè)備時(shí)，可實(shí)現(xiàn)只控制一個(gè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)連鎖控制，如當(dāng)用戶打開(kāi)燃?xì)忾_(kāi)關(guān)后油煙機(jī)自動(dòng)打開(kāi)。

（4）模式控制

用戶可以在控制終端選擇不同的模式，家居設(shè)備的不同子集會(huì)在特定的模式中有不同的響應(yīng)方式。如當(dāng)設(shè)置睡眠模式時(shí)，一些安防功能會(huì)自動(dòng)啟用，照明系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至弱光檔以減少對(duì)眼睛的刺激。

2 通用節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)與應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)建立

每個(gè)ZigBee設(shè)備有一個(gè)全球唯一的64位IEEE長(zhǎng)地址，但在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通常用16位的短地址來(lái)標(biāo)識(shí)自身和識(shí)別對(duì)方，也稱作網(wǎng)絡(luò)地址。對(duì)于協(xié)調(diào)器來(lái)說(shuō)，短地址為0000H，對(duì)于路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，短地址是它們?cè)诩尤氲骄W(wǎng)絡(luò)中時(shí)由協(xié)調(diào)器動(dòng)態(tài)分配的，與網(wǎng)絡(luò)深度、最大路由數(shù)、最大節(jié)點(diǎn)數(shù)等參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，還與節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)順序有關(guān)，直接通信關(guān)鍵點(diǎn)在于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)短地址的獲得。

ZStack協(xié)議棧中定義的應(yīng)用層無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)為AF＿DataRequest，函數(shù)原型如下：

其中dstAddr為地址類型結(jié)構(gòu)體變量，包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址類型和網(wǎng)絡(luò)地址等參數(shù)；cID為命令號(hào)，在ZStack協(xié)議棧里主要用來(lái)區(qū)別不同命令以控制不同的操作；len為發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；＊buf為指向發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針。

ZigBee設(shè)備收到無(wú)線數(shù)據(jù)后，會(huì)在應(yīng)用層觸發(fā)AF＿INCOMING＿M(jìn)SG＿CMD事件，可在結(jié)構(gòu)體afIncomingMSGPacket＿t中解析出所接收的數(shù)據(jù)及其源地址、命令號(hào)等相關(guān)的參數(shù)。

智能家居系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)是以應(yīng)用為中心的網(wǎng)絡(luò)，用戶只關(guān)注各個(gè)ZigBee終端的應(yīng)用功能，而不關(guān)心每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，因此需要在終端的功能和它的網(wǎng)絡(luò)地址之間建立映射關(guān)系，系統(tǒng)才能正確地通信。

用撥碼開(kāi)關(guān)為每個(gè)終端分配一個(gè)唯一的ID以區(qū)分其功能，以8位撥碼開(kāi)關(guān)為例，如表1所示，4位區(qū)分區(qū)域，4位區(qū)分應(yīng)用，這樣每個(gè)無(wú)線應(yīng)用都有一個(gè)區(qū)域號(hào)和應(yīng)用號(hào)組成的1個(gè)字節(jié)的ID號(hào)，系統(tǒng)最多可容納256個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用，足夠覆蓋家居生活的方方面面。

表1 終端應(yīng)用ID

協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，終端入網(wǎng)成功后會(huì)在應(yīng)用層觸發(fā)ZDO＿STATE＿CHANGE事件，因此可以利用此事件來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)的建立。首先終端在應(yīng)用層任務(wù)初始化時(shí)讀取撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)，得到其ID號(hào)fID，當(dāng)終端的ZDO＿STATE＿CHANGE事件被觸發(fā)，即終端成功加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將自己的ID號(hào)fID發(fā)送給協(xié)調(diào)器作為應(yīng)用層入網(wǎng)請(qǐng)求。協(xié)調(diào)器端定義一個(gè)記錄終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址的數(shù)組uint16 Saddr［256］，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到終端應(yīng)用層入網(wǎng)請(qǐng)求后將無(wú)線數(shù)據(jù)的源地址賦給數(shù)組Saddr以fID為下標(biāo)的元素：

這樣就在協(xié)調(diào)器端建立了與節(jié)點(diǎn)應(yīng)用功能對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址映射表，當(dāng)需要控制某個(gè)設(shè)備時(shí)將Saddr中以被控設(shè)備為ID號(hào)fID為下標(biāo)的元素賦值給協(xié)調(diào)器的目標(biāo)地址：

就可以將數(shù)據(jù)或命令發(fā)送到對(duì)應(yīng)的設(shè)備。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信與系統(tǒng)控制

（1）網(wǎng)絡(luò)通信

如圖3所示，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信主要由灰色矩形框內(nèi)的7種情況發(fā)起，下面將分類對(duì)各種數(shù)據(jù)幀進(jìn)行定義和解釋。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信示意圖

a.串口通信幀結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器串口通信幀由起始碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼三部分構(gòu)成，其中起始碼1字節(jié)，值為0xFF，表示幀頭；功能碼1字節(jié)，由0x00遞增，表示此幀的功能，數(shù)據(jù)碼長(zhǎng)度和內(nèi)容由功能碼決定。

如表2，協(xié)調(diào)器的串口接收3種類型的幀，開(kāi)機(jī)請(qǐng)求幀用于上位機(jī)程序打開(kāi)時(shí)獲取當(dāng)前系統(tǒng)的信息；場(chǎng)景設(shè)置幀用于設(shè)置模式，如進(jìn)入睡眠模式，退出睡眠模式；節(jié)點(diǎn)控制幀用于直接控制，如用戶打開(kāi)客廳的電視機(jī)。

表2 協(xié)調(diào)器串口接收數(shù)據(jù)幀

如表3，協(xié)調(diào)器的串口發(fā)送3種類型的幀，數(shù)據(jù)回復(fù)幀用于回復(fù)上位機(jī)的開(kāi)機(jī)請(qǐng)求幀；設(shè)備入網(wǎng)幀用于告知上位機(jī)新加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的家居設(shè)備；設(shè)備數(shù)據(jù)幀用于向上位機(jī)反饋每個(gè)設(shè)備的參數(shù)和狀態(tài)信息，如溫度傳感器采集的溫度值，電視機(jī)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

表3 協(xié)調(diào)器串口發(fā)送數(shù)據(jù)幀

b.無(wú)線通信幀結(jié)構(gòu)

無(wú)線通信幀是指協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)通信的無(wú)線數(shù)據(jù)幀，在此用協(xié)議棧中無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的一個(gè)參數(shù)cID（命令號(hào)）來(lái)區(qū)分幀的功能和類型，用無(wú)線收發(fā)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)buf來(lái)存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及內(nèi)容由命令號(hào)cID決定。

如表4，以cID的高字節(jié)作為功能碼來(lái)區(qū)分無(wú)線數(shù)據(jù)幀的類型，低字節(jié)存放節(jié)點(diǎn)fID來(lái)識(shí)別應(yīng)用。協(xié)調(diào)器接收2種類型的幀，入網(wǎng)幀為終端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層入網(wǎng)請(qǐng)求；參數(shù)幀為終端節(jié)點(diǎn)的參數(shù)和狀態(tài)信息。

表4 協(xié)調(diào)器無(wú)線接收數(shù)據(jù)幀

如表5，協(xié)調(diào)器發(fā)送5種類型的幀，以cID高字節(jié)的高4位表示幀類型，入網(wǎng)回復(fù)幀用來(lái)回復(fù)新入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)當(dāng)前的模式；節(jié)點(diǎn)控制幀用于控制節(jié)點(diǎn)的行為動(dòng)作；模式設(shè)置幀和連鎖控制幀用來(lái)進(jìn)行模式設(shè)置和連鎖控制，并對(duì)cID的低12位進(jìn)行如下的定義，高字節(jié)的低4位為控制方向（1為進(jìn)入，0為退出），低字節(jié)為控制號(hào)，表示當(dāng)前控制類型下的控制號(hào)。如0x0105為進(jìn)入第5種模式，0x0005為退出第5種模式；0x1103為進(jìn)入第一種連鎖，0x1003為退出第3種連鎖。

表5 協(xié)調(diào)器無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)幀

（2）系統(tǒng)控制

在協(xié)調(diào)器和終端都定義一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組

task00至taskFF為表1中每個(gè)對(duì)應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用處理函數(shù)，在協(xié)調(diào)器端表現(xiàn)為接收到對(duì)應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)后的相關(guān)處理。

將終端設(shè)備分為控制型設(shè)備和輸入型設(shè)備，對(duì)于控制型終端設(shè)備M，其功能執(zhí)行函數(shù)taskM為收到協(xié)調(diào)器的控制信息后的操作。以16種模式為例，在終端節(jié)點(diǎn)程序中定義uint16的全局變量fmode（每一位表示一種模式，1表示模式被設(shè)置，0表示模式被清除），當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)，如果是模式設(shè)置幀則按照控制方向和控制號(hào)更新fmode中相應(yīng)的模式位，然后調(diào)用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x00FF）來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

在taskM中定義一個(gè)uint16的常量modeM，每一位表示一種模式，modeM含義為當(dāng)此變量中為1的位所對(duì)應(yīng)的模式至少有一種被設(shè)置時(shí)此設(shè)備打開(kāi)，否則此設(shè)備關(guān)閉。當(dāng)收到模式設(shè)置幀時(shí)，進(jìn)行判斷if（modeM＆fmode），成立時(shí)打開(kāi)設(shè)備，否則關(guān)閉設(shè)備，連鎖控制用相同的方法實(shí)現(xiàn)；如果是入網(wǎng)回復(fù)幀，則記錄下系統(tǒng)當(dāng)前的模式值fmode；如果是節(jié)點(diǎn)控制幀則直接調(diào)用process＿task［fID］（（pkt－＞clustered）＞＞12，（pkt－＞clustered）＆0x0FFF）進(jìn)行相應(yīng)的控制。

輸入型設(shè)備N又可分為開(kāi)關(guān)量輸入和數(shù)據(jù)輸入。以煙霧傳感器為例，其輸入到終端的信號(hào)為高或低電平表示是否有火警信號(hào)，此類輸入為開(kāi)關(guān)量輸入，用外部中斷來(lái)讀取，在協(xié)議棧的中斷處理函數(shù)HAL＿ISR＿FUNCTION中利用osal＿set＿event（）函數(shù)來(lái)觸發(fā)應(yīng)用層的事件。以溫濕度傳感器為例，其輸入到終端的信號(hào)為溫濕度數(shù)據(jù)，需要控制器定期讀取傳感參數(shù)，此類輸入為數(shù)據(jù)輸入，用定時(shí)器中斷來(lái)讀取，在協(xié)議棧中利用osal＿start＿timerEx（）；當(dāng)外部中斷產(chǎn)生或定時(shí)時(shí)間到都會(huì)在應(yīng)用層觸發(fā)相應(yīng)的自定義事件。所以在應(yīng)用層的任務(wù)處理函數(shù)中去查詢事件進(jìn)行響應(yīng)：

為避免和控制型設(shè)備M的控制類型（0～3）重合而導(dǎo)致的程序混亂，輸入型設(shè)備N的功能執(zhí)行函數(shù)taskN中的控制類型由4開(kāi)始遞增。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用通用節(jié)點(diǎn)連接不同的傳感器和控制設(shè)備搭建的智能家居演示系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)配套的Android APP通過(guò)連接網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控ZigBee智能家居網(wǎng)絡(luò)的功能，Android APP界面如圖5所示。

圖4 智能家居演示系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 智能家居系統(tǒng)Android APP監(jiān)控界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的基于ZigBee的智能家居通用節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案降低了智能家居系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本，滿足了智能化的家居系統(tǒng)控制要求，可以快速地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案到可執(zhí)行代碼的轉(zhuǎn)化。同時(shí)該方法具有一定的通用性，也適用于基于ZigBee的智能大棚監(jiān)管系統(tǒng)等類似系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

［1］ 高守緯，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程：基于CC2430／31的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］ 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)俊，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］ 周 游，方 濱，王 普.基于ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005，31（9）：37－40.